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Nuklearmedizin: Diagnostik / Therapie
Nukleardiagnostik: Wo ist wann wieviel von der applizierten Aktivität?(Aktivität A = # Zerfälle pro Sekunde)
Nukleardiagnostik
Ziel:
Nukleardiagnostik soll funktionelle Abläufe sichtbar machen,oft auch dynamisch. (MRI, CT, US: Morphologie abbilden)
Benutzung von Tracern (radioaktiv markierte Moleküle), die anchemischen Prozessen (z.B. Stoffwechsel) beteiligt sind, inbestimmte Organe diffundieren (Perfusion) oder nur mitgespültwerden (Blut, Atemluft).
Radioaktiver ZerfallZerfallsgesetz: N(t) = N0 * exp{- λ t}Aktivität: A = - dN / dt [Bq]
Zufallsprozess -> Poisson Verteilung
N
p(N)Typische Aktivitäten in dernuklearmedizinischen Diagnostik:100..1000 MBq
Radioaktiver Zerfallα-Strahlung: 226
88Ra -> 22286Ru + 4
2HeHe-Kerne; (neu) Therapie Morbus Bechterev
β--Strahlung: 13153J -> 131
54Xe + e-
Elektronen; Bsp. Therapie Schilddrüse
β+-Strahlung: 189F -> 18
8O + e+ + νPositronen; Das Nuklid der PET
K-Einfang: 6429Cu + e- -> 64
28Ni
γ-Strahlung: 99m43Tc -> 99
43Tc + hν (140 keV)em Strahlung hoher Energie; Das Nuklid der Nuklearmedizin
“reiner Gammastrahler”, wenig Strahlenexposition
Nuklearmedizinische Diagnostik: γ-Strahlung, Vernichtungsstrahlung
RadionuklideKeine in der Natur vorkommenden radioaktiven Elemente wegen:
- Radiotoxizität- Strahlenart (nicht nur gewünschte => erhöhte Strahlenexposition)- Halbwertszeit viel zu lang- Radiochemische Reinheit
Herstellung von Radionukliden:
Kernspaltung
Neutronenbeschuss
Beschuss mit geladenenTeilchen; z.B. am Zyklotron
Ekin ≈ 10 MeV nötig(Baby-Zyklotrons inKrankenhaus: ≈ 30 m2)
Kernreaktor nötig!
RadionuklidgeneratorRadionuklidgenerator im Krankenhaus; wichtigstes Beispiel:Gewinnung von 99mTc
Tägliches “Melken” möglich;aber Austausch Generator jede Woche!
Bildgebende Verfahren in der MedizinO. Dössel
99Ru44β-
235U92
7.108 a
42
42
43
43
43
Radionuklidgenerator
ScintillationsdetektorGünstigste Eingenschaften für konventionelle nuklearmed. Diagnostik:Isomere Kerne (“reine Gammastrahler”) 81mKr, 99mTc
Registrierung vonGammastrahlung im Bereich
50..511 keVSzintillationsdetektor= Kristall +Sekundärelektronenvervielfacher(SEV)Bilderzeugung und Bildbewertung in der Strahlenphysik
D. Gosch, S. Lieberenz, J. Petzold, B.Sattler, A. Seese
KristallForderungen an Kristall:- Größe angepaßt an Meßproblem
(cm2 bis 40*60 cm2 für Ganzkörperszintigramme)- Ausreichende Dicke, hohe eff. Ordnungszahl- Hohe Homogenität und opt. Durchlässigkeit
Eigenschaften der Szintillatormaterialien:NaI:Tl, Bi4Ge3O12 = BGO
Kollimatoren
Detektor
Kollimator
Kollimatoren
“Gewöhnlicher” Kollimator
Fokussierender Kollimator
Diskriminierung
Gamma-KameraZiel: Aktivitätsverteilung in einem großen Bereich des Körpers
simultan erfassen
Anger entwickelte eine Kamera, mit der mit relativ wenigenPhotomultipliern eine hohe Ortsauflösung möglich ist
Qualität abhängig vongleichmäßigen und stabilenEmpfindlichkeit der PM=> regelmäßiges Kalibrieren,Korrekturverfahren
Prinzip Ortsbestimmung(Bsp. 7 Photomultiplier):
Bilderzeugung und Bildbewertung in der StrahlenphysikD. Gosch, S. Lieberenz, J. Petzold, B.Sattler, A. Seese
Anger Kamera37..100 PM, Durchmesser 20..50cm 6mm dicker Kristall (für 200 keV)bis 12mm (für 511 keV -> PET)
Ortsauflösung 3..5 mm
Bilderzeugung und Bildbewertung in der StrahlenphysikD. Gosch, S. Lieberenz, J. Petzold, B.Sattler, A. Seese
Planare SzintigraphiePlanare Szintigraphie: Gamma-Kamera wird über zu untersuchendes
Organ gehalten, Aktivitätsverteilung aufgenommen
Fokussierende Kollimatoren => Erhöhung der Empfindlichkeit invorgegebner Tiefe
Planare Szintigraphie <->Projektionsröntgen
Am häufigsten eingesetzt: 99mTc mit Blut mitgespült, nimmt nicht amStoffwechsel teil
Strahlenbelastung akzeptabel, da- “reiner Gammastrahler”- Kurze Abklingdauer
AnwendungenOrgan: Diagnostik
- Herz: Septum-Defekte, Schlagvolumen- Schilddrüse: Tumor (kalte Knoten), Überfunktion (heiße Knoten)- Lunge: Belüftung- Niere: Durchblutung, Sekretion, Exkretion- Knochen: Tumor (Präparatanreicherung bei Krebs)
Anwendungen
SPECTSingle Photon Emission Computer Tomography
Bessere Bilder: iteratives Rekonstruktionsverfahren unterBerücksichtigung der Absorptionsprozesse im Körper
Schnittbildverfahren; Gemessen wird das Linienintegral über dieAktivitätsdichte:
Signal = ∫ dl A(x,y,z)
SPECT <->Röntgen-CT
Relativ schlechte Ortsauflösung der Gammakamera => wenige Meßpunktepro Projektion- 100..200 Projektionen- 128*128 Pixel
Häufigstes Rekonstruktionsverfahren: gefilterte Rückprojektionmit Abschneidung bei relativ niedrigen Ortsfrequenzen wegen hohemQuantenrauschen der Messwerte => 10..15 mm Bildauflösung
SPECT Messung
Bilderzeugung und Bildbewertung inder StrahlenphysikD. Gosch, S. Lieberenz, J. Petzold,B.Sattler, A. Seese
1 Messkopfkreisförmiger Orbit
1 Messkopfelliptischer Orbit
2 Messköpfe 3 Messköpfe
PhotomultiplierKristallKollimator
Absorptionskorrektur
D
x
SPECT Anwendungen
SPECT System
rekonstruierte Schnittbilderdes Herzes
Positron-Emission
+ ν
2 anti-parallele 511 keVPhotonen entstehen
Positron annihiliertmit Elektron
γ
γ
Kern des Positron-Emitters
Proton Neutron
Tochterkern
emittiertesPositron
Mittlere freie WeglängePositron einige mm
PET Kerne
kurzlebig (T1/2 = 10..100 min)- Vorteil wegen Strahlenbelastung und Messung- Nachteil wegen Nachlieferung des Präparats
PET
Langsames Positron + Elektron=> ≈ 180o zwischen Gammaquanten(Gaußförmige Winkelverteilung mit FWHH von 0,3o)=> Koinzidenzdetektion
Physik. erreichbare Auflösung 2..3 mm; Technisch 5 mm
Bilderzeugung und Bildbewertung inder StrahlenphysikD. Gosch, S. Lieberenz, J. Petzold,B.Sattler, A. Seese
AuflösungDetektorring
Verteilung der Positionsmessungen
Gefilterte RückprojektionFilter für Rückprojektion
gefilterte Rückprojektion
18F fluorodeoxyglucose PET an Alzheimer Patient
Bild-Rekonstruktion
Rückprojektion Maximum Likelihood
PET Anwendung11CO